JP2016035945A - パワーモジュールおよび熱拡散板 - Google Patents

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Abstract

【課題】 ヒートシンクの全面を有効に活用することによってパワーモジュールの冷却効率を高めながら、はんだ接続部の疲労寿命を向上させる。【解決手段】 本発明のパワーモジュールは、アルミニウム製のベース板に蛇行細管型ヒートパイプとその表裏両面にカーボンシートを積層したものを内蔵することを特徴とする。前記ベース板は、鋳造によってヒートパイプとカーボンシートをアルミニウムで鋳ぐるみにすることにより形成される。【選択図】 図３

Description

本発明はパワーモジュールおよび熱拡散板に関し、特に冷却能力を促進するためのベース板を備えたパワーモジュールおよび冷却能力を促進するための熱拡散板に関する。
従来、パワーモジュールのベース板を構成する材料に係る技術として、アルミ−シリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）複合材料を用いてベース板を構成する技術があった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−４６０４７号公報
インバータ等のパワーエレクトロニクス機器にはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ダイオードなどの電力用半導体素子を内蔵したパワーモジュールが搭載される。パワーモジュールはベース板の上に絶縁基板を搭載し、その絶縁基板上に電力用半導体素子を搭載する構造のものが一般に用いられている。絶縁基板にはアルミナや窒化アルミニウムなどのセラミック材料が主に用いられており、ベース板の材料としては、銅などの金属か、あるいはアルミ−シリコンカーバイド（ＡｌＳｉＣ）などの複合材料がよく用いられる。
パワーモジュールは電力変換の損失のために大量の熱を発生するため、冷却効率を高めることが必要である。したがって、ベース板の材料としては熱伝導率の高いものが望ましく、その観点では銅材料が有利である。一方、一般にベース板と絶縁基板ははんだで接合されるが、ベース板と絶縁基板の熱膨張率差が大きいと接合はんだが熱疲労を起しやすい。したがって、ベース板の熱膨張率は絶縁基板材料であるセラミックに近いものが望ましい。その観点では銅よりもＡｌＳｉＣ等の方が有利である。
パワーモジュールのベース板としてＡｌＳｉＣ複合材料を用いたものは一般的であるが、例えば特許文献１にその構造が開示されている。
特許文献１に記載されたパワーモジュールにおいては、銅などの金属製のベース板を用いる場合には絶縁基板の接続はんだの疲労寿命が比較的短いことが課題となる。一方、ＡｌＳｉＣなどの低膨張率の複合材料を用いたベース板の場合には熱伝導率が比較的小さいため、冷却性能が低いことが課題となる。
また、金属製のベース板を用いたとしても、水冷などの能力の大きい冷却手段を用いた場合、板の厚さ方向の熱抵抗は十分に小さくできたとしても、板の面方向に熱を広げるためには銅をもってしても熱伝導が十分でなく、パワーモジュール内部に搭載された半導体の直下の部分のベース板温度が局所的に高くなってしまう。すると、パワーモジュールに取り付けたヒートシンクのうち、半導体直下の部分からの放熱が局所的に大きく、ヒートシンクの全面を有効に活用することができない。その結果として、ヒートシンク全面から均一に放熱した場合と比べるとヒートシンクの放熱性能が低くなってしまう。
本発明はヒートシンクの全面を有効に活用することによってパワーモジュールの冷却効率を高めながら、はんだ接続部の疲労寿命を向上させることを目的とする。
本発明のパワーモジュールは、例えば、パワー半導体と、該パワー半導体を搭載した絶縁基板と、ベース板とを備え、前記絶縁基板と前記ベース板とがはんだ接合されて成るパワーモジュールであって、前記ベース板の内部に蛇行細管型ヒートパイプと低熱膨張率シートとが内蔵されることを特徴とする。
また、本発明の熱拡散板は、例えば、蛇行細管ヒートパイプを表裏の両面から２枚の低熱膨張率のシートで挟んだ上、該蛇行細管ヒートパイプと低熱膨張率シートの３層を金属で鋳ぐるみにして一体成型したものであることを特徴とする。
本発明によれば、パワーモジュールの冷却効率を高め、同時に絶縁基板接合部の熱疲労寿命を向上させることができる。
本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の内部を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態を示す縦断面図である。 本発明の第１の実施形態を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態の製造方法を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す部分の斜視図である。
本発明は、アルミニウム製のベース板に蛇行細管型ヒートパイプとその表裏両面にカーボンシートを積層したものを内蔵する。前記ベース板の製造方法としては、鋳造によってヒートパイプとカーボンシートをアルミニウムで鋳ぐるみにしたことを特徴とする。
蛇行細管型ヒートパイプによってベース板の内部で熱を十分に拡散することができ、ベース板全体の温度を均一化することができるため、パワーモジュールに接続したヒートシンクの全面を有効に活用することができるようになる。するとパワーモジュールの冷却能力を向上させることができる。また、ベース板に内蔵したカーボンシートによってベース板の熱膨張率を下げて絶縁基板と近づけることができるため、絶縁基板接合はんだの疲労寿命を向上させることができる。
以下、図１から図５を参照して本発明を実施するための第1の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態である実施例１に係るパワーモジュールを示す斜視図である。パワーモジュールはケース１とベース板２に収められる。外部と接続される電力端子としてＤＣ端子３１とＡＣ端子３２を備える。本パワーモジュールをインバータとして用いる場合には、直流電流がＤＣ端子に供給され、パワー半導体によってＰＷＭ変調された交流電流がＡＣ端子より流出する。
図２はケース１を外したパワーモジュールの内部を示す。パワーモジュールの内部にはスイッチング素子５１とダイオード５２のパワー半導体が搭載される。スイッチング素子はＩＧＢＴあるいはＭＯＳ−ＦＥＴなどである。スイッチング素子５１はゲート信号によって表面側と裏面側の接続ＯＮ／ＯＦＦを切り替えて電流の制御を行う。ケースの内部には絶縁性のゲル等の高分子材料が充填される構造が一般的である。
図３はパワーモジュールの断面図を示す。図の下半分は断面の拡大図である。パワー半導体５は絶縁基板４に搭載され、絶縁基板４はベース板２に搭載される。ベース板２の内部には蛇行細管型ヒートパイプ１０とカーボンシート９１，９２が内蔵される。パワー半導体の表面側電極にはボンディングワイヤ６が接続され、パワー半導体の裏面側電極は絶縁基板４にはんだ７で接続される。さらに絶縁基板４はベース板２にはんだ８で接続される。
図１、図２には６組のパワー半導体を備え、３相の交流電流を扱うことができるいわゆる６ｉｎ１モジュールを示したが、パワー半導体が２組の２ｉｎ１モジュールや１組の１ｉｎ１モジュールも図３に示した断面構造は同様の構成である。
図４にベース板２の横断面図を示す。細管型ヒートパイプ１０は左右に蛇行した上で両端を接続したループ型であることが望ましい。さらに、ヒートパイプの内部に冷媒を注入するためのベース板の外へ連通する注入口１１を設ける。
図５にベース板２の製造方法を示す。まず、蛇行細管ヒートパイプ１０をカーボンシート９１，９２で挟んだ状態で型１２に挿入する。そこで溶融したアルミニウムを型１２に流し入れ、蛇行細管ヒートパイプとカーボンシート９１，９２を鋳ぐるみにして一体成型する。その際、蛇行細管ヒートパイプの冷媒注入口１１は型１２から上に突き出した形にしておき、成形されたベース板より外に注入口を突出させる。
ベース板２は鋳造の後に冷える過程において、アルミニウムとカーボンの熱膨張率差によって内部に応力が発生する。ベース板２をモジュール組み立てに供する際には、その表面に絶縁基板４を搭載する必要があるため、ベース板は粗利が小さく平坦な形状でなければならない。したがって、ベース板２の内部応力は表面側と裏面側で釣り合わなければならないため、表面側のシート９１と裏面側のシート９２の厚さは等しくすると好適である。
絶縁基板４はベース板２に実装される前にスイッチング素子５１およびダイオード５２を搭載してはんだ接続し、ボンディングワイヤ６によってスイッチング素子５１およびダイオード５２の表面側電極と絶縁基板４上の配線パターンを接続する。その後、パワー半導体が搭載された絶縁基板４をベース板２に搭載し、はんだ接続する。はんだ接続の際には絶縁基板４を搭載したベース板を炉に入れて加熱するため、蛇行細管ヒートパイプ１０への冷媒の注入は、パワーモジュールの組み立て後に行う。絶縁基板４のはんだ付けの際にも温度変化によって熱応力が発生するため、カーボンシートによってベース板の熱膨張率を絶縁基板と整合させておくことは組み立て後の初期のはんだひずみの低減にも効果的である。また、パワーモジュールが実際に稼働する際の温度の上下に起因する熱疲労に関しても、本発明のベース板構造によって寿命改善効果が期待できる。
ベース板２はアルミニウムとカーボンシートを重ね合わせた多層構造となる。この際のベース板２の熱膨張率は、それを構成する各々の層の膨張率を、各層の厚さとヤング率の積（剛性）で加重平均したものになる。そのようにして求めたベース板２の熱膨張率が絶縁基板４の熱膨張率に近い値になるように設計することにより、接続はんだ８の熱疲労寿命を向上させることができる。
蛇行細管ヒートパイプ１０への冷媒の注入方法について説明する。冷媒としては水を使った場合に高い冷却性能が得られる。冷媒に水を選択した場合には、腐食を防止する観点で蛇行細管ヒートパイプの材料としては銅あるいはステンレス鋼が望ましい。その際には、鋳ぐるみを行う際にアルミニウムと接合するためにパイプの表面に予めニッケルメッキを施しておくと好適である。あるいは、アルコール系ないしはフッ化炭素系などの冷媒を選択することもできる。その場合には、冷媒がアルミニウムを腐食させないので、蛇行細管ヒートパイプの材料としてアルミニウム管を使用することができる。アルコールないしフッ化炭素系冷媒を用いると、冷却能力は水よりも劣るが、パイプ材料をアルミニウムにでき、パイプのメッキ加工も不要となるため製造プロセスの簡略化と低コスト化を図ることができる。
冷媒を注入する際には、空気などのガスが混入するとヒートパイプの性能を損なうため、ガスを脱気する必要がある。そのためには、例えば一旦水を封入した後にベース板を加熱し、水を沸騰させながら空気を追い出してから注入口を封じ切る方法がある。あるいは、真空に引いたチャンバーの中で、予め脱気した冷媒を注入して注入口を封じ切ってもよい。
ベース板２に内蔵するシート９１および９２に関しては、カーボンの繊維で織ったものあるいは編んだものであってもよい。それらの多孔質のシートを用いた場合には、鋳ぐるみのプロセスにおいてシートの内部にアルミニウムが浸透し、シートの厚さ方向の熱伝導を高めるように働き、好適である。あるいは、シート９１および９２を構成する繊維として、アルミナ等のセラミック材料を用いることもできる。この場合はカーボンに比べると熱伝導率が劣るが、ベース板の熱膨張率を調整することは可能であり、コストの点ではカーボンより優れる。
以上に述べたように、本発明のベース板２を用いることによって、パワー半導体で発生した熱はパワーモジュールのベース板全体に広がり、ベース板２の裏面（ヒートシンク側）の温度はほぼ均一になるため、ヒートシンクの全面が有効に活用され、冷却能力を高めることができる。一方、カーボンシートによってベース板２の熱膨張率は絶縁基板４の膨張率と近い値に抑えられるので、基板の接続はんだ８の熱疲労寿命を向上させることができる。
次に、本発明の第２の実施形態である実施例２について、図６を用いて説明する。本実施例では、ベース板２に対してスイッチング素子５１およびダイオード５２が搭載される部分について、カーボンシート９１および９２を切り取って窓を開けたものである。カーボンシートは厚さ方向への熱伝導率が小さいため、パワー半導体の直下に関してはカーボンシートを取り除いた方が冷却性能が向上し、好適である。一方、半導体の直下の部分についてベース板の膨張率が大きくなる。ここで、絶縁基板４の接続はんだ８の熱疲労に関しては、絶縁基板４の外縁部から疲労亀裂が発生するため、絶縁基板４の外縁部でのはんだのひずみを小さくすることが有効である。したがって、窓の大きさを絶縁基板４よりも小さくしておけば、はんだの疲労寿命向上の効果が保たれる。
あるいは、カーボンシートに窓を開くのは半導体を搭載する側のシート９１のみにとどめ、ヒートシンク側のシート９２については窓を開けない状態で使用してもよい。
さらに、前記の蛇行細管ヒートパイプ１０およびカーボンシート９１，９２を内蔵したベース板２は、その上に個別のパワーモジュールを搭載して冷却を促進するための熱拡散板として使用することもできる。
以上、本発明の上記各実施例によれば、パワーモジュールの冷却効率を高め、同時に絶縁基板接合部の熱疲労寿命を向上させることができる。したがって、冷却の温度と疲労寿命が定められた場合には、パワー半導体の温度を保ったままチップサイズを小さくして、電力密度を上げることができる。ひいては、パワーモジュールを小型化することができ、また、製造コストを下げることができる。
１：ケース
２：ベース板
３１：ＤＣ端子
３２：ＡＣ端子
４：絶縁基板
５：パワー半導体
５１：スイッチング素子
５２：ダイオード
６：ボンディングワイヤ
７：素子接続はんだ
８：絶縁基板接続はんだ
９１：表面カーボンシート
９２：裏面カーボンシート
１０：蛇行細管ヒートパイプ
１１：冷媒注入口
１２：型

Claims (10)

  1. パワー半導体と、該パワー半導体を搭載した絶縁基板と、ベース板とを備え、前記絶縁基板と前記ベース板とがはんだ接合されて成るパワーモジュールであって、
    前記ベース板の内部に蛇行細管型ヒートパイプと低熱膨張率シートとが内蔵される
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  2. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記低熱膨張率シートの前記パワー半導体が搭載される部分の直下の部分には開口部が設けられる
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  3. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記低熱膨張率シートはカーボンシートであり、鋳造に用いる前記金属はアルミニウムである
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  4. 請求項３に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記低熱膨張率シートの前記パワー半導体が搭載される部分の直下の部分には開口部が設けられる
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  5. 請求項１に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記ベース板は、前記蛇行細管型ヒートパイプを表裏の両面から２枚の前記低熱膨張率シートで挟んだ上、該蛇行細管型ヒートパイプと前記２枚の前記低熱膨張率シートとの３層を金属で鋳ぐるみにして一体成型したものである
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  6. 請求項５に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記低熱膨張率シートの前記パワー半導体が搭載される部分の直下の部分には開口部が設けられる
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  7. 請求項５に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記低熱膨張率シートはカーボンシートであり、鋳造に用いる前記金属はアルミニウムである
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  8. 請求項７に記載のパワーモジュールにおいて、
    前記低熱膨張率シートの前記パワー半導体が搭載される部分の直下の部分には開口部が設けられる
    ことを特徴とするパワーモジュール。
  9. 蛇行細管ヒートパイプを表裏の両面から２枚の低熱膨張率のシートで挟んだ上、該蛇行細管ヒートパイプと低熱膨張率シートの３層を金属で鋳ぐるみにして一体成型したものである
    ことを特徴とする熱拡散板。
  10. 請求項９に記載の熱拡散板において、
    前記低熱膨張率シートはカーボンシートであり、鋳造に用いる前記の金属はアルミニウムである
    ことを特徴とする熱拡散板。
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